소개
선택적 레이저 소결(SLS)은 일반적으로 기능성 부품의 신속한 프로토타이핑과 소량 생산에 사용되는 적층 제조 기술입니다. 이 공정은 레이저 빔을 사용하여 분말 재료를 소결하고 서로 결합하여 견고한 구조를 만듭니다. 레이저는 필요한 부품의 3D 디지털 설명에서 생성된 단면을 스캔하여 파우더 베드의 사전 정의된 영역을 선택적으로 융합합니다. 각 단면을 스캔한 후 그 위에 새로운 재료 층을 적용하고 부품이 완성될 때까지 이 과정을 반복합니다.
분말 층을 생성하는 것은 정밀한 공정으로, 전달 시스템에 의해 안정적으로 분배될 수 있고 응집체나 공극 없이 제조 베드에 일관된 방식으로 증착되는 공급 원료가 필요합니다. 간헐적인 흐름 또는 벌크 내의 응집체는 불균일한 증착을 유발하여 공정의 효율성과 최종 제품의 특성에 악영향을 미칩니다. 균일하고 반복 가능한 층을 형성하는 데 도움이 되는 분말 특성을 파악하면 호환성 평가 프로세스를 통해 재료를 실행하는 것과 관련된 상당한 재정적, 시간적 오버헤드 없이도 새로운 제형을 최적화하고 적합한 원료를 식별할 수 있습니다. 이 접근 방식은 또한 사양을 벗어난 최종 제품의 발생을 줄이는 데 도움이 됩니다.
다양한 첨가제의 효과
서로 다른 첨가제(안료와 윤활제)를 함유한 세 가지 폴리옥시메틸렌(POM) 샘플이 SLS 기계에 사용되었습니다. 세 가지 제형이 저장 호퍼에서 기계로 서로 다르게 흘러들어가 최종 제품의 특성과 품질이 달라지는 것이 관찰되었습니다. 기존의 다양한 특성 분석 기법이 사용되었지만 샘플 간의 차이를 구분하지 못했습니다. 따라서 FT4 분말 레오미터®를 사용하여 세 가지 제형을 분석하여 공정 중 성능을 합리화할 수 있는 명확하고 반복 가능한 차이점을 밝혀냈습니다.
테스트 결과
동적 테스트: 기본 유동성 에너지
유동 첨가제가 포함된 샘플은 다른 두 샘플보다 더 높은 기본 유동성 에너지(BFE)를 생성하여 FT4 블레이드를 파우더 베드를 통해 이동시키는 데 더 많은 에너지가 필요했습니다. 이 경우 높은 BFE는 벌크 내에서 더 효율적인 패킹을 나타내는 지표이며, 유동 첨가제를 첨가하여 재료가 더 자유롭게 흐르게 되었음을 의미합니다.
대량 테스트: 투과성
유동 첨가제를 함유한 샘플은 낮은 응집 응력에서 파우더 베드 전체에 걸쳐 가장 높은 압력 강하를 생성했으며, 이는 투과성이 감소하고 이 자유 유동성 재료의 밀도가 높은 패킹 상태를 반영합니다. 세 샘플 모두 응집 응력이 커질수록 압력 강하가 증가했지만, 순수 POM과 안료가 포함된 샘플은 유동 첨가제가 포함된 샘플보다 훨씬 더 큰 변화를 보였습니다.
응집 변화에 대한 민감도가 낮다는 것은 외부 힘을 가했을 때 입자가 이동할 수 있는 공기 공극이 적다는 의미로, 더 효율적으로 포장된 벌크임을 나타냅니다. 안료가 포함된 샘플의 투과성이 가장 크게 변화하여 벌크 내에 유입된 공기의 양이 많다는 것은 응집력이 높다는 것을 나타냅니다.
전단 세포 테스트
측정된 전단 응력 값의 측면에서 샘플 간에 제한적인 차이가 관찰되었습니다. 이는 전단 셀 테스트가 SLS 응용 분야에서 널리 사용되는 저응력 동적 프로세스에서 유동 특성을 특성화하는 데 가장 적합한 기술이 아닐 수 있음을 시사합니다.
결론
FT4는 공정에서 서로 다르게 행동하는 것으로 알려진 세 가지 샘플 간의 명확하고 반복 가능한 차이를 정량화했습니다. 이 결과는 또한 전단 셀 테스트와 같은 단일 기술만으로는 다양한 응력 및 흐름 영역에서 분말의 거동을 완전히 설명하기에 충분하지 않을 수 있음을 보여줍니다.
파우더 유동성은 고유의 재료 특성이 아니라 특정 장비에서 파우더가 원하는 방식으로 유동하는 능력에 관한 것입니다. 성공적인 공정을 위해서는 분말과 공정이 잘 일치해야 하며, 동일한 분말이 한 공정에서는 잘 작동하지만 다른 공정에서는 제대로 작동하지 않는 경우가 드물지 않습니다. 따라서 여러 가지 특성화 방법론이 필요하며, 그 결과를 공정 순위와 상호 연관시켜 허용 가능한 공정 동작에 해당하는 파라미터의 설계 공간을 생성할 수 있습니다. FT4의 다변량 접근 방식은 모든 공정의 거동을 설명하기 위해 단일 수치 특성화에 의존하는 대신 다양한 단위 작업을 시뮬레이션하여 다양한 공정 및 환경 조건에 대한 분말의 반응을 직접 조사할 수 있습니다.
